量子密钥分配协议的性能研究应用报告.doc

课程设计（论文）

课程名称： 科研训练
题 目：量子密钥分派合同SARG04性能研究
院 （系）： 机械电子工程系
专业班级： 通信1102班
姓 名： 党 浩
学 号： 06020211
指引教师： 董颖娣

年 7 月 9 日

西安建筑科技大学科研训练（论文）任务书
专业班级： 通信1102班级 学生姓名： 党浩 指引教师（签名）：
一、科研训练（论文）题目

量子密钥分派合同SARG04性能研究
二、本次科研训练（论文）应达到目

通过参加科学研究，使学生得到科研工作基本训练，开创新教学模式；增进科研与学习相结合，培养学生科研意识、团队精神、科研能力和综合素质，使学生逐渐形成严谨科学研究作风和学术道德品质
三、本次科研训练（论文）任务重要内容和规定（涉及原始数据、技术参数、设计规定等）

1、掌握量子密码通信基本原理
2、理解惯用量子密钥分派合同SARG04性能及基本流程
3、理解量子密钥分派合同SARG04在实验中实现过程
4、给出量子密钥分派合同SARG04性能研究报告
四、应收集资料及重要参照文献：
1、《量子信息讲座》 郭光灿
2、《量子通讯和量子计算》 国防科技大学出版社，李承祖
3、《量子密码实验研究》 中华人民共和国科学技术大学博士论文，莫小范
4、《诱骗态量子密钥分派理论研究》国防科技大学研究生论文，孙仕海

五、审核批准意见

教研室主任（签字）

目录
摘 要................................................4
科研训练目.........................................4
量子密码通信概念.....................................5
量子密码通信基本原理...............................6
（一） 态叠加原理...................................7
（二） 不可克隆原理...................................8
量子密钥分派合同SARG04在实验中实现过程...............9
量子密钥分派合同SARG04性能研究报告................11
结论与展望...........................................13
参照文献.............................................15

摘 要

随着计算机网络技术持续、迅速发展，网络通讯、电子商务、电子政务、电子金融等应用使咱们越来越多地依赖网络进行工作和生活，大量敏感信息需要通过网络传播，人们需要对自己信息进行保护以免被窃取或篡改，量子密码为咱们提供了有力保证。而随着密码学发展，量子密码开始走入人们视线。量子密码是以当代密码学和量子力学为基本、量子物理学办法实现密码思想和操作一种新型密码体制。这种加密办法是用量子状态来作为信息加密和解密密钥。量子某些神奇性质是量子密码安全性主线保证。
与当前普遍使用以数学为基本密码体制不同，量子密码以量子物理原理为基本，运用量子信号实现。与数学密码相比，量子密码方案具备可证明安全性（甚至无条件安全性）和对扰动可检测性两大重要优势，这些特点决定了量子密码具备良好应用前景。随着量子通信以及量子计算术逐渐丰富与成熟，量子密码在将来信息保护技术领域将发挥重要作用。

科研训练目:

通过参加科学研究，使学生得到科研工作基本训练，开创新教学模式；增进科研与学习相结合，培养学生科研意识、团队精神、科研能力和综合素质，使学生逐渐形成严谨科学研究作风和学术道德品质。

量子密码通信概念：

量子密码，又称量子密钥分发，是运用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信双方可以产生并分享一种随机，安全密钥，来加密和解密信息。
量子密码一种最重要，也是最独特性质是，如果有第三方试图窃听密码，则通信双以便会察觉。这种性质基于量子力学基本原理：任何对量子系统测量都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码，必要用某种方式测量它，而这些测量就会带来可察觉异常。通过量子叠加态或量子纠缠态来传播信息，通信系统便可以检测与否存在窃听。当窃听低于一定原则，一种有安全保障密钥就可以产生了。
量子密码安全性基于量子力学基本原理，而老式密码学是基于某些数学算法计算复杂度，因而老式密码学无法察觉窃听，也就无法保证密钥安全性。
但是量子密码只用于产生和分发密钥，并没有传播任何实质信息。密钥可通过某些加密算法来加密信息，加密过信息可以在原则信道中传播。

量子密码通信基本原理:

量子密码术用咱们当前物理学知识来开发不能被破获密码系统，即如果不理解发送者和接受者信息，该系统就完全安全。单词量子自身意思是指物质和能量最小微粒最基本行为：量子理论可以解释存在任何事物，没有东西跟它相违背。从数学上讲只要掌握了恰当办法任何密码都可破译。此外，由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹，顾客无法察觉，就会继续使用同地址、密码来存储传播重要信息，从而导致更大损失。然而量子理论将会完全变化这一切。自上世纪90年代以来科学家开始了量子密码研究。由于采用量子密码技术加密数据不可破译，一旦有人非法获取这些信息,使用者就会及时懂得并采用办法。无论多么聪颖窃听者在破译密码时都会留下痕迹。更惊叹是量子密码甚至能在被窃听同步自动变化。毫无疑问这是一种真正安全、不可窃听破译密码。
以往密码学理论基本是数学，而量子密码学理论基本是量子力学，运用物理学原理来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理”中所包括一种特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同步也会破坏这个系统。因而对输运光子线路窃听会破坏原通讯线路之间互有关系,通讯会被中断,这事实上就是一种不同于老式需要加密解密加密技术。
在老式加密互换中两个通讯对象必要事先拥有共同信息——密钥，包括需要加密、解密算法数据信息。而先于信息传播密钥互换正是老式加密合同弱点。此外,尚有“单量子不可复制定理”。它是上述原理推论,指在不懂得量子状态状况下复制单个量子是不也许,由于要复制单个量子就必要先做测量,而测量必然会变化量子状态。依照这两个原理,虽然量子密码不幸被电脑黑客获取,也会因测量过程中对量子状态变化使得黑客只能得到某些毫无意义数据。
量子密码就是运用量子状态作为信息加密、解密密钥，其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”量子纠缠。它是一种量子力学现象，指无论两个粒子间距离有多远，一种粒子变化都会影响另一种粒子。因而当使用一种特殊晶体将一种光子割裂成一对纠缠光子后，虽然相距遥远它们也是互相联结。只要测量出其中一种被纠缠光子属性，就容易推断出其她光子属性。下面简朴简介量子通信两个原理：

（一）态叠加原理：
态叠加原理是量子力学中一种基本原理。如果是体系一种本征态，相应本征值为也是体系一种本征态，相应本征值为，,依照薛定谔方程线性关系，也是体系一种也许存在状态。简朴地说，一种量子物体在环境中如果可以朝上，也可以朝下，那么它尚有一种状态是朝上和朝下叠加状态。如果这个量子物体处在这种状态中，那它既不是单纯朝上，也不是单纯朝下。这种现象在典型物理中是不存在，一种物体要么朝上要么朝下，要么躺着，但没有朝上和朝下叠加状态。
测量时波函数坍缩原理：如果一种量子物体处在叠加态，例如上面说朝上和朝下叠加态，咱们去测量时候，会发现它也许在这次测量中成果是朝上，在另一次完全相似测量中又测得它是朝下。咱们除了懂得测量成果朝上或朝下概率外，无法拟定下次测量详细会是什么成果。固然，如果这个量子物体本来就处在一种朝上（或者朝下）状态，你去测它，它还是朝上（相应地，朝下），无论你测多少次。
（二）不可克隆原理：
即不也许构造一种可以完全复制任意量子比特（量子状态），而不对原始量子比特产生干扰系统。不可克隆原理是量子信息学基本。量子信息在信道中传播，不也许被第三方复制而窃取信息而不对量子信息产生干扰。因而这个原理也是量子密码学基石。为了证明不可克隆原理，咱们一方面假定，存在一种系统可以完全拷贝任意量子比特。
量子密钥分派合同SARG04性能及基本流程：
密钥是保密通信核心，用来与待传播明文进行某种变换，以产生密文。在使用中若只传播密文，则无密钥者虽然得到密文也无法理解，而合法接受者可以用密钥得
到明文。如何在不被窃听者破获前提下，将密钥分派给所有接受方是问题核心。量子密钥分派合同解决正是此问题。初期量子密钥分派合同是指发送和接受方运用量子态进行密钥分派时，所共同遵循信息加载、探测和比对方式。近年来，量子密钥分派合同有所扩展，增长了量子密钥分派所需后解决过程，例如纠错，保密放大，入侵检测机制等。一种完整量子密钥分派流程如图所示
针对 PNS 袭击， 年 Scarani，Acin，Ribordy和Gisin 提出了SARG04 合同，该合同采用与BB84合同相似两组共轭基中四个基矢进行量子密钥分发，她们区别仅在于典型编码方式上,SARG04 合同采用四态非正交编码方式，在该情相似性质,因此可以让其中一束作为信号光来实现QKD，而另一束闲置光则被用来预报信号光中光子数目,只有当信号光为非空脉冲时才启动接受方探测器，这样就会大大减小长距离量子密钥分发过程中暗计数，从而进一步提高系统安全传播距离. SARG04合同与诱惑态合同相结合理论即SARG04 合同诱惑态QKD 方案、基于参量下转换光子对某些诱惑态QK方案相继被提出,本文在这些理论基本上提出一种新SARG04合同诱惑态QKD 方案,值得一提是这里光子对是在特殊条件下参量下转化获得，光子数服从泊松分布。

量子密钥分派合同SARG04在实验中实现过程：

第一种量子密钥分派实验是班内特和斯莫林于1989年以偏振编码形式完毕。虽然该实验仅在光学平台上传播了32厘米，但是它打开了量子密码实验研究大门。
当前，量子密钥分派依照采用实现方案不同，可分为单光子方案、纠缠光子方案和持续变量方案等；依照携带量子信息物理量不同，也可分为偏振编码、相位编码和持续变量编码等实现方案；依照量子信道不同，又可分为自由空间量子密钥分派和光纤量子密钥分派。图2给出了量子密码实现方案大体分类。当前，光纤已经成为当代通信重要信道介质，因而基于光纤传播单光子方案光纤量子密钥分派是当前国际上研究最多且最为成熟方案。实现量子密码技术不但受到科学界注重，并且因其潜在巨大应用价值，商用产品以及产业化也提上了日程。
1993年，瑞士日内瓦大学吉辛（Gisin）小组运用850纳米激光和偏振方案在光纤中实现了1.1公里量子密钥分派。1996年，该小组又运用1550纳米激光和偏振光源在日内瓦湖底商用光纤线路上实现了23公里量子密钥分派。由于光纤固有双折射效应，偏振编码在光纤中很容易受到干扰，因而在长距离传播时，其稳定性很难保证，需要在发射和接受端都加以偏振控制。此外，初期偏振编码大多采用850纳米激光作为光源，而该波段在光纤中衰减远不不大于当前惯用通信波长1550纳米，难以进行远距离传播，因而偏振编码在“昙花一现”后沉寂了数年。但是由于偏振编码可以采用被动方式调制，因而在高速系统工程实现上具备一定优势。随着偏振控制技术逐渐成熟以及器件性能提高，近年来重新浮现了某些采用偏振编码高速量子密钥分派实验报道。例如，美国国标与技术研究院（NIST2）唐萧等人运用偏振在光纤中实现了GHz脉冲重复率偏振编码量子密钥分派实验，最初采用850纳米光源，当前已在进行与既有1550纳米光网络相结合研究。英国乔丹（K.J. Gordon）和汤森德（P. D. Townsend）等人也实现了偏振方案光纤量子密码系统，并将光脉冲重复率提高到了3.3GHz。偏振方案重新成为高速量子密码工程化实现一条可行之路。

量子密钥分派合同SARG04性能研究报告：
典型密码安全性是基于计算复杂性，因而到当前为止，该类密钥分派系统还不能被证明是绝对安全。而量子密钥分派系统安全性是基于量子力学基本原理，可以被证明是绝对安全。穷举法在典型密码领域是一种典型袭击方案。理论上只要窃听者计算能力无穷，她可以运用该办法破解任何基于计算复杂度密码体系。而什么是绝对安全和如何才干做到绝对安全呢？香农在1949年一篇文章中对此进行了详细阐述[1]。香农指出：若想做到绝对安全，一方面规定所用密钥分布概率对于窃听者来讲，在全空间是均匀分布，这样即便窃听者穷举了所有也许密钥也无法懂得哪一种是对的；然后运用该密钥对明文作一次一密15加密即可得到绝对安全。量子密钥分派只进行密钥分派，并不考虑如何使用。量子密钥绝对安全是指，最后分派完密钥分布对任何窃听者来讲都是全空间均匀分布。
量子密钥分派安全性研究始于1994年，随后梅耶斯（Mayers）运用不拟定原理提出了针对抱负单光子源安全性证明。近来，劳（L o）发展了梅耶斯证明思想，提出了基于纠缠提纯安全性证明，但是其证明需要量子计算机来完毕。班内特等人证明了单向纠缠提纯合同与量子纠错码是等价。
上面所述状况均为抱负状况下安全性证明，即实验系统是完美。但是，任何实际系统都不也许是完美，因而存在一种实际可袭击性。于是戈特斯曼（Gottesman）、劳、卢肯豪斯（Lukenhaus）和普瑞斯基四人合伙提出了计算非抱负量子密钥分派系统GLLP16公式。她们以为，该公式出发点是对于存在多光子光源，只有其中单光子脉冲才干生成最后安全密钥。近来，劳小组运用GLLP，对光源不拟定BB84合同给出了安全性证明。总体来讲，量子密钥分派绝对安全性证明办法分为三大类：第一类是基于纠缠提纯安全性证明；第二类是基于贝尔不等式证明办法；第三类是基于量子信息论证明法。就当前研究进展而言，基于纠缠提纯和基于贝尔不等式证明办法只合用于单量子比特类合同安全性证明，例如SARG04合同等等，而基于信息论证明办法则比较普适。

结论与展望

量子密码技术发展到今天已基本成熟。从普通意义上讲，它已经是一种实际可用技术。从学术发展角度讲，量子保密通信技术尚有大量问题有待解决。当前量子中继方案要达到实际应用水平还相称困难，为此咱们有必要摸索更加切实可行方案。虽然量子存储器在量子密钥分派系统中并不是必要，但它存在仍会为中继等一系列器件带来很大好处，更何况在量子计算机中，它也是不可或缺核心内容。
当前，量子密钥分派另一种热点是网络问题。既有各种网络方案事实上都不是十分令人满意，例如可靠中继方案存在可扩展性问题，在大型网络构造下，如何保证每个节点可信？其人力和资源耗费恐怕是无法让人接受。非可靠网络虽然不存在此问题，但其网络规模（涉及空间距离和顾客数量）扩展都受到限制。虽然在既有有限网络中，也存在如何评价量子网络系统等问题，例如安全性、性能价格比等都是没有解决基本问题。
在基本层面上，关于持续变量和差分相位量子密钥分派合同安全性如何证明也是问题，由于这两种合同都各自拥有其她合同不具备优势，但是在安全性没有得到证明前，入实用是不也许。在工程层面上，量子密钥分派系统工程指标之一是有效码率，如何实现更高系统重复率，是当前工程追求目的；另一方面，密钥分派只是量子保密通信中最核心内容之一，实际应用系统中，必要涉及典型数据通信、纠错、保密放大、加解密算法、身份认证等一系列应用层面基本内容，这些内容有待咱们此后逐个解决。

【参照文献】

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